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Phylogenetic niche conservatism does not explain elevational patterns of species richness, phylodiversity and family age of tree assemblages in Andean rainforest

DOI: 10.3112/erdkunde.2016.01.06
Year: 2016
Vol: 70
Issue: 1
Pages: 83-106
Summary:

Phylogenetic niche conservatism (PNC) is the tendency of species within a clade to retain ancestral traits and to persist in their primary ecological niches on geological time scales. It links evolutionary and ecological processes and has been hypothesized to explain patterns of species richness and the composition of species assemblages. Decreasing patterns of species richness along latitudinal gradients were often explained by the combination of ancient tropical climates, trait retention of tropical lineages and environmental filtering. PNC also predicts decreasing phylodiversity and family age with decreasing tropicality and has been invoked to explain these patterns along climatic gradients across latitudinal as well as elevational gradients. However, recent studies on tree assemblages along latitudinal and elevational gradients in South America found patterns contradicting the PNC framework. Our study aims to shed light on these contradictions using three different metrics of the phylogenetic composition that form a gradient from recent evolutionary history to deep phylogenetic relationships. We analyzed the relationships between elevation and taxonomic species richness, phylodiversity and family age of tree assemblages in Andean rainforests in Ecuador. In contrast to predictions of the PNC we found no associations of elevation with species richness of trees and increasing clade level phylodiversity and family age of the tree assemblages with elevation. Interestingly, we found that patterns of phylodiversity across the studied elevation gradient depended especially on the deep nodes in the phylogeny. We therefore suggest that the dispersal of evolutionarily old plant lineages with extra-tropical origins influences the recent composition of tree assemblages in the Andes. Further studies spanning broader ecological gradients and using better resolved phylogenies to estimate family and species ages are needed to obtain a deeper mechanistic understanding of the processes that drive the assembly of tree communities along elevational gradients.

Zusammenfassung:

Das Konzept des „phylogenetischen Nischen-Konservatismus“ (englisch: „phylogenetic niche conservatism“; PNC) beschreibt die Tendenz von Arten und Kladen, ihre angestammten Arteigenschaften und ursprünglichen Nischen über geologische Zeitskalen hinweg zu erhalten. PNC verknüpft evolutionäre und ökologische Prozesse und wurde oft vorausgesetzt, um Muster im Artenreichtum und in der Zusammensetzung von Artgemeinschaften zu erklären. So wurde das generelle Muster abnehmenden Artenreichtums mit steigendem Breitengrad oft mithilfe der Kombination alter tropischer Klimate, der Beibehaltung von Arteigenschaften innerhalb tropischer Linien und der Filterfunktion von Umweltbedingungen erklärt. Außerdem prognostiziert der PNC eine Abnahme phylogenetischer Diversität und der Familienalter entlang klimatischer Gradienten von tropischen zu temperaten und arktischen Bedingungen. Diese Muster wurden bereits entlang von Breitengrad- und Höhengradienten gefunden und mit Hilfe des PNC erklärt. Vor kurzem fanden allerdings zwei Studien, die sich mit Baumgemeinschaften entlang von Breitengrad- und Höhengradienten in Südamerika befassten, Muster, die dem Rahmen des PNC widersprechen. Um diese Gegensätze näher zu beleuchten, verwenden wir in unserer Studie drei verschiedene Maße der phylogenetischen Zusammensetzung, die einen Gradienten von der jüngsten evolutiven Geschichte bis hin zu tiefen phylogenetischen Zusammenhängen abbilden. Im Speziellen haben wir den Effekt von Höhe auf den taxonomischen Artenreichtum, die phylogenetische Diversität und das Familienalter von Baumartengemeinschaften in Regenwäldern der ecuadorianischen Anden analysiert. Im Gegensatz zu den Annahmen des PNC konnten wir keinen Effekt von Höhe auf den Artenreichtum der untersuchten Baumgemeinschaft finden. Wir fanden außerdem zunehmende phylogenetische Diversität auf Kladenlevel sowie ein zunehmendes Familienalter der Baumartengemeinschaften mit steigender Höhe – Ergebnisse, welche ebenfalls im Kontrast zur PNC stehen. Interessanterweise hing das Muster der phylogenetischen Diversität entlang des untersuchten Höhengradienten insbesondere von den tiefen Knoten der Phylogenie ab. Daher nehmen wir an, dass die Ausbreitung evolutiv alter Pflanzenlinien außertropischen Ursprungs die heutige Zusammensetzung der Baumartengemeinschaften der Anden beeinflusst. Um die bestimmenden Prozesse hinter der Zusammensetzung von Baumartengemeinschaften entlang von Höhengradienten besser zu verstehen, sind weitere Studien entlang umfassenderer Gradienten und besser aufgelöste Phylogenien zur Schätzung der Familien- und Artenalter nötig.

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